公路平交路口車輛警示系統設計

張喆

摘要：公路平交路口車輛警示系統可應用于安全隱患突出、事故多發易發的鄉村道路與干線公路平面交叉口。當干線公路車輛行經接入路口時，該系統能夠對鄉村道路上的車輛、行人通過燈光、文字、語音等方式進行實時預警，并對干線公路上的車輛進行車速檢測和警示，從而降低路口事故發生率。本文介紹了該系統的功能需求和設計原理。并從關鍵技術，系統功能模塊等方面詳細介紹了警示系統功能的實現。對項目的實施具有指導意義。

Abstract： The vehicle warning system for highway level crossings can be applied to the intersection of rural roads and trunk roads with prominent safety hazards and multiple accidents. When the trunk road vehicles pass through the intersection， the system can provide real-time warning to the vehicles and pedestrians on the country roads through lights， words， voices， etc.， and detect and warn the vehicles on the main roads to reduce the intersection accidents incidence. This article describes the functional requirements and design principles of the system. The function of the warning system is introduced in detail from the aspects of key technologies and system function modules. It has guiding significance for the implementation of the project.

關鍵詞：交通安全;車輛警示系統;實時預警;平交路口;測速雷達;疲勞駕駛;太陽能供電

Key words： traffic safety;vehicle warning system;real-time warning;level crossing;speed-measuring radar;fatigue driving;solar power supply

0? 引言

隨著我國汽車保有量的飛速增長，公路建設事業的快速發展，公路交通安全問題也越來越引起大家的關注。目前國內公路平交路口交通狀況較為混亂，特別是在鄉村路段，問題比較特出：

①我國幅員遼闊，鄉村范圍廣，道路長，形成鄉村道路和干線公路平面交叉口眾多的現象。

②傳統的交通警示系統需要鋪設電纜，成本非常的高，因此這些平交路口不能充分安裝交通警示系統。

③這些平交路口往往成為事故易發多發地段。

因此開發太陽能供電的公路平交路口警示系統特別有意義。該系統能夠充分考慮鄉村道路的特點，通過燈光，文字，聲音等多種形式對路口100米到150米范圍內來往車輛和行人進行檢測并提醒。同時該系統安裝便捷，不需要鋪設電纜，彌補了鄉村不能大量鋪設電纜的缺點。

由于鄉村道路環境復雜，對電子系統提出了苛刻的要求。因此在系統的設計中要充分考慮環境溫度冷熱溫差、下雨爆曬、動物撕咬、鳥類駐留等很多影響因素。同時在室內調試、室外安裝、室外調試中要考慮環境因素的影響，確保系統可靠穩定地工作。

1? 平交路口面臨的交通安全問題分析

1.1 平交路口交通安全隱患

近年來，隨著我國道路建設步伐的加快，很多國道、省道都通到了邊遠鄉村。在鄉村地區，由于農業生產和農民出行的需要，數不勝數的鄉間小道與國道、省道形成了許許多多的平交路口。特別是在穿村路段，沿線的每一條大小胡同幾乎都與主干道形成了平交路口。如果沒有道路交通安全設施，人、畜與過往車輛就會出現爭道搶行現象，不但影響了主干道的通行能力，而且交通安全隱患特別突出，極易發生交通事故。平交路口是交通事故的多發地之一，有的平交路口甚至還被當地群眾稱之為“死亡路口”。

大量的平交路口，還嚴重影響了主干道的通行能力。

一般來說，城市道路的電子警察等交通安全設施都比較健全。但在近郊和農村地區，因種種原因，道路交通安全設施嚴重缺乏。加之一些新修建的道路狀況較好、視野開闊，也易麻痹駕駛人，極易導致車輛超速行駛。雖然部分路口裝有黃閃警示燈，但由于一直處于頻率固定的閃爍狀態，警示效果不佳，也很容易引起駕駛員的視覺疲勞，忽視前方有路口，使得路口處事故發生率偏高。另外在穿越村鎮路段的平交路口，四角的房屋、樹木以及農民堆放的草垛、雜物等也造成了一定視覺盲區，存在較大的交通事故隱患。

相關職能部門針對我國當前公路平交路口的交通安全狀況，積極探索實踐平交路口的整治措施，但碰到很多具體問題。首先就是成本問題，為解決平交路口的安全問題，需要安裝交通信號燈，但成本較高，一個路口需幾十萬。如果路口沒有電網供電，僅解決供電問題就要花費10萬以上，資金成本高居不下。另外一個問題是，村鎮副干道車流量很小，安裝交通信號燈又大大降低了主干道的通行能力。

雖然近郊和鄉村的平交路口裝有黃閃燈，但只對主干道的車輛進行警示，預防交通事故的綜合效果欠佳。

1.2 解決方案探討

從當前平交路口的實際需要來看，需在路口設置減速梗、減速帶等交通安全設施。在農村路段，在副干道上設置減速設施。在城區的出入口增加減速、慢行、限速等標志。從行車速度上控制好平交路口的交通秩序;在穿村路段，設置路口標志。在重要的平交路口要設置黃閃燈、警示牌等交通安全設施，以提醒交通參與者安全通過路口。

針對穿越村鎮的平交路口事故多發的現狀，有必要安裝平交路口交通警示系統，分別對主干道和副干道車輛、非機動車及行人進行安全警示，最大限度降低交通事故發生率。

考慮到一些平交路口供電不到位的實際情況，應首選太陽能和風能供電，解決路口安全警示設備的能源供應，并能維持設備長時間工作。

同時，系統應采用智能識別技術，根據主干道車流量和車速情況，計算出合理的警示時間周期。既起到安全警示作用，又盡量不影響主干道通行能力。

另外，設備應具備遠程通訊能力，采用互聯網技術，上報即時的車流量和車速數據，便于交警部門掌握各路口的實際交通狀態。通過加裝監控攝像機，全程記錄交通狀態信息，一旦發生交通事故，可以通過監控視頻回放，為交通事故處理提供必要的技術支持。

通過以上措施，用技術手段加強平交路口的安全警示，讓副干道機動車和非機動車及時了解前方路口交通狀況，提前采取預防措施，降低交通事故發生率，使副干道對主干道通行能力的影響降至最低。

2? 平交路口車輛警示系統配置

2.1 警示系統配置

如圖1所示，平交路口車輛警示系統一共由4套警示裝置構成。在構成平交路口的干線公路雙向、鄉村道路雙向共4個點各安裝一套警示裝置。其中干線公路上的警示裝置包括黃閃燈、車速警示屏、測速雷達、太陽能板及蓄電池;鄉村道路上的警示裝置包括文字警示屏、喇叭、太陽能板及蓄電池。

2.2 警示系統功能

主路口雙向各有一個測速雷達。當主路方向來車時，相應的測速雷達發出信號，對應的主路口控制器接收到雷達輸出的信號，發出表示有車的無線信號并驅動主路口的黃閃燈閃亮來提醒來車方向駕駛人員。同時主路口的車速顯示屏還能顯示當前機動車的行駛速度。輔路口1，2收到無線信號，輔路口的文字警示屏顯示相應文字警示信息、喇叭播放警示語音，持續12秒。

主路口通過GPRS/GSM模塊和網絡相連，可把雷達測到的車輛數量和速度上傳到服務器進行數據統計和分析。

在配裝攝像機并連接入網絡的情況下，可遠程監控路面交通狀況。

所有主輔路口的電池電壓及充電電流情況、黃閃燈的工作狀況都可以通過無線傳輸到主路口1，同時通過網絡和短信可把主輔路口的工作狀況告知管理人員。

文字警示內容和語音警示消息可遠程設置，滿足人性化管理需求。

功能具體要求如下：

①當雷達檢測到干線公路上有車輛駛近交叉路口時（干線公路上距路口雙向100-150米區域為雷達探測區）：

干線公路上的黃閃燈開始閃爍，車速顯示屏顯示車輛時速，提醒干線公路上的駕駛員前方有路口，需謹慎駕駛、安全通行。

鄉村道路上的警示屏會立即顯示警示文字，交替閃爍，提醒行人、車輛注意避讓。顯示內容根據干線公路上行駛車輛的情況自動切換：若相對觀察者左方有來車，顯示“左方來車”/“停”;相對觀察者右方有來車，顯示“右方來車”/“停”;若雙向都有來車，顯示“雙向有車”/“停”。

②當連續15秒時間內無車輛駛入干線公路上的雷達探測區內，鄉村道路上的警示屏顯示內容變為“減速慢行”和“停”交替閃爍，提醒行人、車輛注意觀察路況，謹慎通行。

③鄉村道路上的喇叭可以播放語音報警，警示屏同步工作，可以遠程控制喇叭開關時間段和設置音量。

④選配功能：該系統能監控主干道車流量和車輛行駛速度等信息，通過GSM/GPRS網絡上傳到服務器。

3? 關鍵技術及運用

平交路口警示系統以我國道路交通通暢工程和預防事故兩個迫切需要為基礎，以物聯網應用、雷達測速、新能源和移動互聯網+等前衛技術，構筑平交路口安全警示和管理系統，來提升平交路口的安全，確保交通暢通。本項目運用了多項國內領先水平的關鍵技術。

3.1 無線通訊

平交路口四個方向的設備通過無線通訊技術實現互聯互通，大大降低了電纜鋪設和施工安裝難度，也減少了對路面的破壞。

主干道兩個方向各采用一個測速雷達對路面車輛進行監測，包括車速，并根據車速情況確定安全預警開始時間和結束時間。

整個系統由兩套主干道設備和兩套副干道設備構成，這四套設備通過433MHz無線通訊技術實現互聯互通。其中一套主干道設備實現管理和協調的功能，一方面指揮其他三套設備的正常工作和故障信息搜集，另一方面，它還要通過GPRS或3G通訊模塊短信和遠端的互聯網服務器進行數據交換，上傳平交路口車流量信息和設備狀態信息，并接收來自遠端服務器的控制指令。

該無線通訊安全穩定，技術組網方便，抗干擾能力強，調試簡單，維護方便。

3.2 互聯網服務器架設和軟件開發

通過引入互聯網+技術，采集的交通流數據實時上傳到服務器。實現服務器和平交路口安全警示設備的互聯互通，為大數據分析奠定基礎。

隨著國內平交路口系統安裝量不斷增加，這些數據對交警部門來說有著較高的分析和決策意義，數據的價值也隨之提高。當數據量足夠多時，大數據分析也成為可能。

3.3 多種警示及控制技術

為了最大限度方便交警使用該產品，本項目設計了多種黃閃頻率控制技術、車速實時顯示、文字標語提示、語音提示、手機短信控制和網絡控制功能，以滿足交警在各種情況下的使用要求。

3.4 電源管理

系統要求在無法充電的天氣條件下，電池連續工作時間超過144小時。這對電源系統的設計是一大考驗。為了便于安裝和使用，系統要求較小的體積，導致電池體積相應縮小。這就需要在系統設計中尋找平衡點，對設備功耗進行最優化設計。

系統還配備了光亮度傳感器，能根據使用場合的實際戶外光亮度，自動調節LED顯示屏的工作電流，以智能化方式降低系統功耗。

3.5 抗惡劣環境

傳統的路口信號燈系統安裝需要開挖路面、頂桿穿越馬路、布線等復雜工作，還需要解決供電問題，成本高昂。所以，村鎮平交路口地段不可能大量安裝傳統信號燈。

平交路口警示系統不需要鋪設電纜，采用太陽能解決供電問題。但由于產品在野外使用，防水設計至關重要。我國幅員遼闊，各地溫差極大，既有嚴寒也有酷暑。由于設備長期放置燈桿上，因此對產品的可靠性提出了很高的要求。

4? 系統功能模塊及實現

平交路口車輛警示系統電氣部分有主干道和副干道之分。兩者的控制模塊比較相近。主要有三部分組成：

電源：負責太陽能對蓄電池的充電，以及對整個控制系統的供電控制。是整個系統穩定工作的有效保障。

主控：對周圍設備進行統一管理控制。負責測速信號接收，警示信號輸出（黃閃燈，車速提示牌，文字警示屏，喇叭等）。

通訊：完成與其他三個干道以及和主服務器的通信。

4.1 電源板

電源板在平交路口車輛警示系統中對電源進行管理。

系統要求在無法充電的天氣條件下，電池連續工作時間超過144小時。因此整個設計采用了低功耗模式，自動調節LED顯示屏的工作電流，以智能化方式降低系統功耗。

主芯片采用瑞薩的MCU。

其具有較低的消耗電流（CPU：66μA/ MHz，待機（STOP）：230 nA）和43.2 DMIPS（32 MHz）的高性能模式。

同時它還有片內振蕩器，數據閃存，A/D轉換器等。內置安全功能（檢測硬件非法操作的功能），使其能夠高效穩定運行。從而實現了充放電的智能控制：具有過充、過放、電子短路、過載保護、獨特的防反接保護等全自動控制。

電源板采用了具有MPPT功能的高效充電電路，所有控制邏輯單元全部采用工業級芯片，能在寒冷、高溫、潮濕環境運行自如。

原理圖如圖2所示。

4.2 主控板

主控板是平交路口車輛警示系統的核心。主控板電路包括電源輸入、MCU、GSM模塊、雷達測速模塊等。完整的電路原理圖見圖3。下面主要介紹一下這些模塊的功能設計。

4.2.1 MCU微控制器

本設計采用ST公司的STM32F103C8芯片，這是一款集成度小、體積小、高性能、低功耗的32位ARM微處理器，為RISC指令結構，指令豐富，運行效率高。

該芯片具有64k閃存存儲器，容量足以滿足編程需要，它具備三種低功耗模式，能支持設備在陰雨天連續工作6天。

該芯片有37個GPIO，可以滿足輸入輸出信號的要求，16路12位ADC口可以滿足控制器溫度檢測的要求，2路SPI接口，可以完成對433無線通信模塊的操作，3路UART接口，可以實現對GSM模塊的透傳，還有2路IIC接口。該芯片還有2個看門狗定時器，當設備出現硬件錯誤時，可以復位使芯片重新工作，防止系統崩潰。

該芯片屬于工業級芯片，工作溫度范圍-40℃至85℃。芯片具有較強的抗干擾能力，足以應對各種惡劣的使用環境。該芯片的詳細資料可以從ST公司提供的用戶手冊上查找，本文不做詳述。

4.2.2 GSM模塊

GSM模塊供電電路原理如圖4所示。

MCU通過IO口控制PMOS，從而可以控制GSM模塊整個供電情況，實現低功耗模式。

MCU通過UART2串口與GSM模塊通信。MCU使用標準的AT命令來控制GSM模塊，實現透傳功能。通信波特率為115200bps，通過發送短信，GPRS撥號上網等手段，和遠端的互聯網服務器進行數據交換。上傳平交路口車流量、平均車速和設備狀態信息。同時還要接收來自遠端服務器的控制指令，控制警示喇叭的音量、顯示屏的顯示內容等。

4.2.3 雷達測速

用一部測速精度和觸發精度高的雷達就可以覆蓋干路上多個車道。當雷達測速儀測量機動車時速時，MCU可以通過UART3串口來讀取雷達所測的車輛車速數據，并通過UART1串口控制顯示屏顯示當前車輛的車速。

4.3 通訊：無線通信RF4432模塊

433無線通訊采用RF4432無線模塊。原理圖如圖6所示。

整個系統由兩套主干道設備和兩套副干道設備構成，這四套設備通過433MHz無線通訊技術實現互聯互通。其中一套主干道設備實現管理和協調的功能，一方面指揮其他三套設備的正常工作，另一方面進行故障信息的搜集。

RF4432模塊采用的是Silicon Lab Si4432器件。這是一款高度集成的無線ISM頻段收發芯片。極低的接收靈敏度（-121dBm），再加上業界領先的+20dBm的輸出功率保證較大工作范圍和提高鏈路性能。同時內置天線多樣性和對跳頻支持可以進一步擴大范圍，提高性能。

RF4432模塊是MCU通過SPI方式進行配置的，配置參數主要包括載波頻率、調制方式、數據發送速率、CRC 校驗、前導碼、同步字、數據頭、地址等，具體可參考RF4432 Register Settings_RevV-v16寄存器配置工具進行。

5? 結語

本系統的設計綜合應用了多項技術，如太陽能供電，無線通訊，互聯網+，雷達測速，多種警示輸出技術等。同時在系統安裝時注意路口地理情況，確保安裝到位。

本設計已經形成產品并投入運行，在使用期間受到相關單位的好評。

平交路口警示系統的廣泛推廣能夠為我們鄉村道路的建設做一份貢獻。能夠發揮安全、便捷的作用，對鄉村交通網的建設發展有深刻的意義。

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